Die Erfindung betrifft die Rückgewinnung von Kälte bei der Regasifizierung von tiefkalten Flüssigkeiten, insbesondere verflüssigtem Erdgas (LNG, Liquified Natural Gas bei -162°C und 1 bar atmosphärischem Druck), verflüssigtem Stickstoff (LN2) und verflüssigtem Sauerstoff (LO2). Dazu werden Verfahrensmerkmale in Verbindung mit einem Wärmeaustauscher zur Realisierung des Verfahrens angegeben. Der Wärmeaustauscher ist für, wenn auch im Vergleich zur Brennstoffenergie relativ kleine, so doch wertvolle Kälteleistung im Bereich unter 100 kW konzipiert und zeichnet sich durch einfache Konstruktionsmerkmale und einfache Bedienbarkeit aus, die einen der Kälteleistung angemessen niedrigen Investitionsaufwand ermöglichen.
Erdgas lässt sich unter atmosphärischem Druck nach Abkühlung auf -162 °C und anschließender Abfuhr der Kondensationswärme aus der gasförmigen in die flüssige Phase überführen. Damit ist die Reduktion des Volumens auf das Sechshundertstel des bei 1,013 bar und 15°C gegebenen Wertes verbunden. Verflüssigtes Erdgas ist somit auf attraktive Weise lagerbar und über große Strecken transportierbar. Die zu realisierende, gleichermaßen kostenaufwändige wie wertschöpfende Prozesskette reicht von der Förderung und Aufbereitung über die Verflüssigung, die Lagerung, den Ferntransport mit Tankschiffen, die erneute Lagerung in Großtanks und den nochmaligen Transport zum Verwender bis zur dortigen Regasifizierung. Das Ende dieser Kette bildet sehr häufig eine sogenannte Satellitenanlage, nämlich ein doppelwandiger, vakuumisolierter LNG- Speicher ohne Verflüssigungseinrichtung. Die Satellitenanlage verfügt über eine Regasifizierungseinrichtung, üblicherweise ein atmosphärischer Verdampfer mit vertikalen längsberippten Rohren, an denen das verflüssigte Erdgas, im folgenden Text mit LNG bezeichnet, verdampft und auf Umgebungstemperatur überhitzt wird, während die erforderliche Wärme aus der Umgebungsluft durch freie Konvektion zugeführt wird.
Der beschriebene Stand der Technik ist umfangreich in der
Unbefriedigend ist, dass das vorhandene energetische Potential im LNG in Form von Kälte bei der Regasifizierung ungenutzt bleibt.
Daraus ergibt sich das Ziel der Erfindung, nämlich die besonders einfach gestaltete Nutzbarmachung der in diesem Prozess freiwerdenden, wenn auch im Vergleich zur Brennstoffenergie relativ kleinen, so doch wertvollen Kälte im Bereich unter 100 kW und zwar auf einem für den praktischen Bedarf nachgefragten mäßig tiefen Temperaturniveau oberhalb -60°C, z.B. für die Tieftemperaturlagerung oder die Kältespeicherung mit Phase Change Material (PCM).
Die erfinderische Aufgabenstellung ist somit in der Angabe von technologischen und apparativen Merkmalen zu sehen, die es ermöglichen, die vorgenannte Zielstellung zu erreichen.
Basierend auf der vorzuschlagenden Verfahrensweise ist ein Wärmeaustauscher für Temperaturniveaus oberhalb von -60°C zu entwickeln, der die bei der Regasifizierung der tiefkalten Flüssigkeiten auftretenden großen Temperaturdifferenzen beherrscht. Tiefkalte Flüssigkeiten im Sinne der Erfindung sind einleitend näher spezifiziert.
Die Lösung der Aufgabenstellung ist im Hauptanspruch 1 angegeben. Die jeweils untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
Verfahrensseitig wird die Kälte des LNG auf einen flüssigen Kälteträger übertragen, der bis hinab zum Temperaturniveau von ca. -60°C eingesetzt werden soll, dabei ohne Phasenwechsel und damit sicher pumpbar bleibt. Vorteilhaft verwendbar ist beispielsweise Therminol D12, eine synthetische Flüssigkeit auf der Basis aliphatischer Kohlenwasserstoffe.
Die Energieübertragung erfolgt allerdings nicht direkt auf den flüssigen Kälteträger, sondern zunächst auf ein Zwischenmedium (intermediate fluid) und von diesem dann auf den flüssigen Kälteträger. Die Verwendung des Zwischenmediums dient der Überwindung der zwischen der zu regasifizierenden tiefkalten Flüssigkeit und dem Kälteträger vorhandenen großen Temperaturdifferenz ohne dass der Kälteträger zu stark abkühlt, bis hin zum Erstarren des Selben. Die Temperatur des Zwischenmediums und damit die seriellen treibenden Temperaturdifferenzen sind erfindungsgemäß mit Hilfe der apparativen Konzipierung der Wärmeübertragung, insbesondere über die Wärmeübertragungsflächen, frei einstellbar. Wegen seiner günstig liegenden Erstarrungslinie, die Tripelpunktdaten sind -187,7°C und 0,0002 Pa, und wegen der durch Verdampfung und Kondensation gegebenen sehr guten Wärmeübertragungseigenschaften wird bevorzugt Propan als Zwischenmedium eingesetzt.
Die Wärmeübertragung über dieses Zwischenmedium erfolgt bei einer wählbaren Zwischentemperatur durch Verdampfen und Kondensieren im Naturumlauf, also ohne den Einsatz einer Pumpe, in einem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher für Kälteleistungen unter 100 kW.
Dieser Wärmeaustauscher ist zweckmäßig als Zylinder in Vertikalausrichtung ausgeführt und oben und unten durch Klöpperböden verschlossen.
Der so realisierte Behälter enthält im oberen Teil wenigstens einen Oberflächenwärmeaustauscher zur Verdampfung der tiefkalten Flüssigkeit, beispielsweise LNG, und im unteren Teil mindestens einen weiteren Oberflächenwärmeaustauscher zur Abkühlung des flüssigen Kälteträgers.
Zur Realisierung des Wärmetransports innerhalb des hermetisch geschlossenen Behälters ist dieser mit dem Zwischenmedium, vorzugsweise Propan, gefüllt, welches sicher gekapselt ist. Das Propan ist im unteren Bereich bis zum Füllstand eine siedende Flüssigkeit und im oberen Bereich oberhalb des Füllstandes kondensierender Sattdampf.
Beide Oberflächenwärmeaustauscher sind als Rohrwendeln ausgeführt.
Vorteilhafterweise sind diese mehrfach angeordnet, wobei eine zahlenmäßige Symmetrie nicht zwingend erforderlich ist.
Der Wärmeübergang vom kondensierenden Propan an die zu regasifizierende, tiefkalte Flüssigkeit erfolgt somit über die oberen Rohrwendeln. Diese ragen von oben her frei nach unten in den Behälterinnenraum. Gleichermaßen ragen die unteren Rohrwendeln von unten her frei nach oben in den Behälterinnenraum.
Als Befestigungen am Behälter sind zweckmäßig die den Rohrwendeln zugeordneten Sammelrohre nutzbar, wobei auch andere Befestigungslösungen realisierbar sind.
Der Wärmeübergang vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige Zwischenmedium kann an den unteren Rohrwendeln erfolgen.
Mit der Wahl des Werkstoffes Edelstahl für Behälter und Rohrwendeln sind eine ausreichende Tiefkaltzähigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit garantiert.
Der Einsatz von Rohrwendeln ermöglicht es, auf engem Raum relativ große Wärmeübertragungsflächen unterzubringen.
Der Wärmeübergang von den oberen Rohrwendeln an die zu verdampfende tiefkalte Flüssigkeit ist wegen des langen Strömungsweges und der sich auf einer Kreisbahn ergebenden Sekundärströmung im Inneren der Rohrwendel besonders wirksam. Hier liegt der größte Transportwiderstand vor, dessen Reduzierung einen besonders positiven Einfluss auf den gesamten Wärmedurchgang zur Folge hat. Der Einsatz eines Turbulators kann diesen Transportwiderstand weiter verringern.
Wie bereits erwähnt, befinden sich im unteren Teil des zylindrischen Behälters weitere von unten her frei in den Innenraum ragende Rohrwendeln, wenigstens aber eine Rohrwendel. Hier gibt der Kälteträger die zur Verdampfung des Zwischenmediums Propan erforderliche Wärme in der vorbeschriebenen Weise ab. Dies führt auch hier zu einem sehr guten Wärmedurchgang, weil hier kälteträgerseitig der größte Transportwiderstand vorliegt.
Der zylindrische Behälter wird nach seiner Evakuierung mit dem Zwischenmedium, vorzugsweise Propan, unter Berücksichtigung von Temperatur, Dichte und Masse nachhaltig so gefüllt, dass die oberen Rohrwendeln bei jedem nachfolgenden Betriebszustand frei bleiben, während die unteren Rohrwendeln von flüssigem Zwischenmedium im Siedezustand völlig geflutet sind.
Dies setzt erfindungsgemäß die Berücksichtigung eines angemessenen Abstandes zwischen den oberen und den unteren Rohrwendeln voraus.
Dieser Abstand kann mit Hilfe der Stoffwerte des Zwischenmediums berechnet werden. Er entspricht in etwa dem Durchmesser der Rohrwendeln.
Kennzeichnende Stoffwerte des Zwischenmediums Propan sind Folgende:
Bei 25°C beträgt der Druck des Propans (Sattdampf und Flüssigkeit im Siedezustand befinden sich im Phasengleichgewicht.) ca. 9,6 bar. Die Dichte der Flüssigkeit beträgt dann ca. 492 kg/m3.
Bei -70°C stellt sich das Phasengleichgewicht bei ca. 0,27 bar ein. Die Dichte der flüssigen Phase ist dann ca. 612 kg/m3.
Mit Hilfe der beabstandeten Anordnung der Rohrwendeln im Behälter und mit deren Dimensionierung, sprich Konzipierung der Wärmeübertragungsflächen, die die Temperatur des im Naturumlauf verdampfenden und kondensierenden Zwischenmediums festlegt und eine inhärente Sicherheit derart erreicht, dass das mit dem Abschalten des Wärmeaustauschers durch Unterbrechung des Kälteträger- und des LNG- Massenstromes einhergehende thermische Gleichgewicht nie zu einer Erstarrung des Kälteträgers führt.
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele sind auf die Regasifizierung von tiefkalten in einem Satelliten- Tanklager gelagerten verflüssigtem Erdgas LNG (Liquified Natural Gas) bezogen. Bei 1 bar LNG- Lagerdruck beträgt dessen Temperatur ca. -162°C und bei 5 bar LNG- Lagerdruck ca. -138°C.
In den Ausführungsbeispielen werden das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Kälte aus verflüssigtem Erdgas (LNG) in Verbindung mit Wärmeaustauschern für Kälteträger- Temperaturniveaus oberhalb von -60°C und für Kälteleistungen im Bereich unterhalb 100 kW, an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Die verwendeten Wärmeaustauscher unterscheiden sich dabei in der apparativen Gestaltung.
Ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher ist in
Es handelt sich um einen zylindrischen Behälter 1 in Vertikalausrichtung, der mit einem oberen und einem unteren Klöpperboden 2 bzw. 3 abgeschlossen und mit einer Isolierung 5 ganzheitlich ummantelt ist.
Im Bereich des oberen Klöpperbodens 2 ist eine Rohrwendel 6 und am unteren Klöpperboden 3 eine Rohrwendel 7 mittelbar oder unmittelbar jeweils in frei in das Behälterinnere hineinragender Weise angeordnet. Die Befestigung am Behälter 1 ist jeweils nur einseitig realisiert. Zum Zweck des Wärmetransports innerhalb des hermetisch geschlossenen Behälters 1 ist dieser mit dem Zwischenmedium 8, nämlich Propan 8 gefüllt, welches damit sicher gekapselt ist. Der Füllstand 9 des flüssigen Zwischenmediums 8 im Behälter 1 ist so eingestellt, dass die obere Rohrwendel 6 bei jedem Betriebszustand von gasförmigen Zwischenmedium 8.1 umgeben und die untere Rohrwendel 7 mit flüssigem Zwischenmedium 8.2 geflutet ist. Dazu ist zwischen den beiden Rohrwendeln 6 und 7 ein angemessener Abstand von etwa dem Durchmesser der Rohrwendel 6 bzw. 7 vorhanden und die entsprechende Masse des Zwischenmediums 8 in den Behälter eingefüllt.
Der Behälter 1 und die Rohrwendeln 6 und 7 sind vorteilhaft aus Edelstahl gefertigt. Damit sind eine ausreichende Tiefkaltzähigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit garantiert.
Der Wärmeübergang vom kondensierenden Propan- Sattdampf 8.1 an die zu regasifizierende, tiefkalte Flüssigkeit LNG erfolgt somit über die obere Rohrwendel 6. Diese ragt, wie bereits ausgeführt, von oben her frei nach unten in den Behälterinnenraum. Das hat den Vorteil, dass mechanische Spannungen in Folge der im Betrieb auftretenden großen zeitlichen Temperaturänderungen ausreichend vermieden werden.
Der Wärmeübergang vom zu kühlenden Kälteträger an das flüssige, siedende Propan 8.2 erfolgt an der unteren Rohrwendel 7.
Da die untere Rohrwendel 7 in gleicher Art und Weise mit dem unteren Bereich des Behälters mechanisch verbunden ist, ergeben sich die beschriebenen Vorteile dieser Anbringung für diese analog zur oberen Rohrwendel 6.
Als Kälteträger kommt vorteilhafterweise Therminol D12 zum Einsatz.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher ist in
Er unterscheidet sich zum vorbeschriebenen Wärmeaustauscher dadurch, dass sowohl die Rohrwendel 6 als auch die Rohrwendel 7 in Mehrfachanordnung im Behälter 1 in ansonsten analoger Bauweise vorhanden sind. Im gewählten Beispiel sind jeweils sieben Rohrwendeln 6 und 7 angeordnet. Alle übrigen Merkmale sind abgesehen von konstruktiven Anpassungen übernommen. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, den Zufluss 10 des LNG unter Zwischenschaltung eines Verteilers 15 direkt zu gestalten und den Abfluss 11 des regasifizierten LNG über ein Sammelrohr 16 im oberen Teil des Behälters 1 zu realisieren. Der Zufluss 12 des Kälteträgers zu den Rohrwendeln 7 erfolgt ebenfalls unter Zwischenschaltung eines Verteilers 15 direkt, während der Abfluss 13 über ein weiteres Sammelrohr 16 im unteren Teil des Behälters 1 realisiert ist. Die beiden Sammelrohre 16 können alternativ auch außerhalb des Behälters 1 angeordnet werden. Es empfiehlt sich, die Sammelrohre 16 zur jeweils einseitigen Befestigung der Rohrwendeln 6 und 7 am Behälter 1 zu nutzen. Abhängig von den Einsatzbedingungen sind die oberen und/oder die unteren Rohrwendeln 6 bzw. 7 einzeln bzw. bündelweise anschließbar.
Verfahrensgemäß ermöglichen die beschriebenen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher einen effektiven Wärmetransport von dem zu kühlenden Kälteträger an das siedende Zwischenmedium 8.2 im Bereich der unteren Rohrwendel bzw. Rohrwendeln 7 und von dem kondensierenden, gasförmigen Zwischenmedium 8.1 an die zu verdampfende tiefkalte Flüssigkeit im Bereich der oberen Rohrwendel bzw. Rohrwendeln 6. Der Naturumlauf des Zwischenmediums kommt durch das Abtropfen des Kondensates von der bzw. den oberen Rohrwendeln 6 zu Stande.
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